Interfejsy

Sygnał cyfrowy pomiędzy wyjściem przetwornika analogowo-cyfrowego a komputerem przesyłany jest poprzez interfejs (rodzaj przetwornika

cyfrowo--cyfrowego)52, będący kolejnym sprawcą danych z taksonomii Hackinga53.

Przetworniki z komputerem można łączyć tylko wtedy, gdy spełniają wa-runki kompatybilności. Jest to możliwe, jeśli zachodzi: zgodność mechanicz-na i konstrukcyjmechanicz-na gniazd przyłączeniowych oraz rozmieszczenia sygmechanicz-nałów w gnieździe, zgodność parametrów elektrycznych poszczególnych sygnałów, zgodność stosowanych kodów i protokołów komunikacyjnych oraz zgodność metod transmisji danych.

Interfejsy stosowane w układach eksperymentalnych wspomaganych kom-puterowo można podzielić na dwie główne kategorie: interfejsy szeregowe oraz interfejsy równoległe. Przesył szeregowy odbywa się za pośrednictwem jednego kanału łączącego nadajnik i odbiornik informacji. Informacja podzie-lona na słowa i znaki przesyłana jest znak po znaku. Bity są zatem wysyłane po kolei, a każdy z nich ma przyporządkowaną jednostkę czasu. Do tego niezbędna jest synchronizacja czasu między nadajnikiem (przetwornikiem analogowo-cyfrowym) a odbiornikiem (komputerem). Transmisja szeregowa polega więc na przesyłaniu ciągu bitów, bit po bicie, w takt zegara synchro-nizującego transmisję.

W przypadku przesyłu równoległego przesyłanie każdego bitu odbywa się oddzielnym kanałem. Wszystkie bity z grupy wysyłane są jednocześnie w określonej jednostce czasu, zatem ten sposób transmisji jest szybszy, ale ze względu na duże koszty kabli stosowany jest do przesyłu informacji na małe odległości. Transmisja równoległa polega więc na przysyłaniu ciągów słów (najczęściej 8-bitowych), słowo po słowie, w takt sygnałów synchronizujących. Każdy interfejs może być scharakteryzowany przez wiele parametrów. Pierwszym z nich jest rodzaj transmisji (asynchroniczna lub synchroniczna, napięciowa lub prądowa, niesymetryczna lub różnicowa). Kolejnym, bardzo ważnym parametrem jest szybkość transmisji podawana w zależności od długości linii (najczęściej im dłuższa linia, tym mniejsza szybkość transmisji). Ważnym parametrem jest także maksymalna długość linii między przetworni-kiem analogowo-cyfrowym a komputerem. Innymi są: zasilanie (czy interfejs może zasilać urządzenia zewnętrzne i jaka jest dopuszczalna obciążalność 52 Interfejs to zespół urządzeń i środków zapewniających dopasowanie mechaniczne, elek-tryczne i informacyjne oraz ustalających funkcjonalne relacje pomiędzy fi zycznie odrębnymi częściami systemu, służących wymianie informacji pomiędzy nimi. Wymiana danych odby-wa się poprzez kanał transmisyjny, którym może być przewód, światłowód, fale radiowe itp. Por. T.W. Wojtatowicz, dz. cyt., s. 43.

takiego zasilania) oraz protokoły transmisji (protokoły komunikacyjne), czyli zbiory reguł logicznych określających sposób nawiązania łączności, prowadze-nia bloku transmisji danych i kończeprowadze-nia transmisji między parami urządzeń. W układach eksperymentalnych wspomaganych komputerowo dane pomiędzy przetwornikiem analogowo-cyfrowym a komputerem mogą być

przesyłane przez różne interfejsy szeregowe. Interfejs RS 232C54 był do

nie-dawna powszechnie stosowany w komputerach PC. Istnieją trzy inne interfejsy szeregowe, na poziomie zasad transmisji zbliżone do RS 232C. Są to interfejsy: RS-422A, RS-423A55 oraz RS-48556. Poza wspomnianymi wyżej interfejsami na rynku pojawiło się wiele innych konstrukcji (np. USB57, IEEE 139458), z których tylko interfejs USB na dobre zadomowił się w układach eksperymentalnych. Pojawiają się także interfejsy nowe: HART i IEC-115859.

Przez wiele lat interfejsy równoległe konkurowały z interfejsami szerego-wymi pod względem szybkości transmisji. Powstawało wiele nowych stan-dardów, jednakże zawsze po wprowadzeniu kolejnego interfejsu szeregowego o zbliżonej prędkości do interfejsu równoległego – te ostatnie znikały. Nie były bowiem wygodne dla użytkownika wobec dużej liczby linii transmisyjnych. Współcześnie największą szybkość transmisji danych pomiarowych osiągnąć

54 Standard RS-232 powstał w roku 1962 jako interfejs do współpracy terminali z modemem w dużych systemach komputerowych. Później powstawały jego odmiany, oznaczone kolejnymi literami od A do F. Jednakże najpowszechniej obecnie stosowany jest w wersji C w prostych systemach pomiarowych, z małą szybkością transmisji danych (do 20 Kb/s) na małe odległości (do 15 m) i wymianą informacji jedynie między dwoma urządzeniami. Szczegółowy opis inter-fejsu RS-232C znaleźć można w: W. Winiecki, Organizacja komputerowych systemów pomiarowych, Ofi cyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2006, s. 60–80.

55 Dla zwiększenia szybkości transmisji (do 100 Kb/s dla RS-423A i do 10 Mb/s dla RS-422A), zasięgu (do 1200 m) oraz ochrony przed zakłóceniami wprowadzono dwuprzewodowe interfejsy RS-422A oraz RS-423A. Standard elektryczny tych interfejsów dopuszcza dołączenie do jednej pary przewodów jednego nadajnika i aż dziesięciu odbiorników. Opis interfejsów RS-423A oraz 422A znaleźć można w: tamże, s. 80–82.

56 Rozwinięciem standardu RS-422A jest interfejs szeregowy RS-485. Oferuje on możliwość podłączenia aż 32 odbiorników i tyle samo nadajników. Opis interfejsu RS-485 znaleźć można w: tamże, s. 82–83.

57 Od pewnego czasu standard USB stał się podstawowym interfejsem szeregowym kompute-rów. Maksymalnie do komputera można podłączyć 127 urządzeń (poprzez huby lub koncentra-tory), działających w czterech typach transmisji oraz z wieloma szybkościami (USB 1.1 – 12 Mb/s; USB 2.0 – 480 Mb/s; USB 3.0 – 5 Gb/s). Jest to interfejs elastyczny i wygodny dla użytkownika, ale jego oprogramowanie jest skomplikowane, zaś maksymalna długość połączenia niewielka (5 m).

58 Podobny funkcjonalnie interfejs IEEE 1394 (FireWire, iLink) umożliwia połączenie do 63 urządzeń peryferyjnych w strukturę drzewiastą. Urządzenia są równouprawnione, co pozwala na transmisję bezpośrednio pomiędzy urządzeniami dołączonymi do magistrali bez pośrednictwa komputera. Interfejs ma kilka standardów komunikacji zapewniających transfer rzędu: 100, 200, 400, 800 oraz – w najnowszych wersjach – 1600 i 3200 Mb/s. Długość kabla ograniczona jest do 4,5 m (można stworzyć specjalne połączenie nawet szesnastu takich odcinków), natomiast wersja optyczna – do ok. 1000 m. Por. T.W. Wojtatowicz, dz. cyt., s. 63.

można, stosując kasetowe lub modułowe systemy pomiarowe z interfejsem równoległym, gdyż w takich konstrukcjach liczba linii przesyłowych nie gra roli.

Pierwszym interfejsem równoległym, który pojawił się w komputerach, był interfejs zbudowany na bazie układu programowalnego sterownika

rów-noległego wejścia/wyjścia Intela o symbolu 8255 lub układ Motoroli 652260.

W 1994 roku opracowano interfejs IEEE 1284 jako standard zapewniający kompatybilność wsteczną z używanym od lat siedemdziesiątych XX wieku jednokierunkowym portem Centronics (LPT), stosowanym do podłączania drukarek61.

W 1965 roku fi rma Hewlett-Packard zaprojektowała interfejs HP-IB, który miał służyć do łączenia i kontrolowania programowalnych urządzeń. Zaletą tego interfejsu była duża prędkość transmisji (do 1 Mb/s), dzięki czemu zyskał duże znaczenie w połączeniach pomiędzy komputerami a urządzeniami ze-wnętrznymi (od 1975 roku jest standardem IEEE 488 w Stanach Zjednoczonych,

a od 1976 roku – IEC-625 w Europie)62. Odmianą tego interfejsu,

produkowa-ną przez innych niż HP producentów, jest interfejs GP-IB. Do magistrali tej może być przyłączonych maksymalnie piętnaście urządzeń, a długość kabla (składającego się z co najmniej 24 kabli) pomiędzy parą urządzeń nie powinna przekraczać 2 m.

Interfejs VXI jest rozwijany od roku 1987 i stanowi najbardziej zaawanso-wany technologicznie sposób sprzęgania aparatury kontrolno-pomiarowej. Przeznaczony jest do sterowania i obsługi zautomatyzowanych, modułowych systemów pomiarowych. W pełnym systemie może być zainstalowanych do

256 urządzeń, a szybkość transmisji może maksymalnie wynosić 40 Mb/s63.

Zasady organizacji i zarządzania podsystemem VXI przypominają w dużym stopniu zasady, na jakich oparte jest funkcjonowanie wieloprocesorowych systemów komputerowych.

Interfejs VXI jest przykładem kasetowego systemu pomiarowego. Innymi

są: system pomiarowy CAMAC (o dwadzieścia lat starszy od VXI)64 oraz

modułowy system pomiarowy PXI. W systemach kasetowych urządzenia pomiarowe mają postać kaset zawierających moduły z blokami funkcjonal-nymi systemu pomiarowego. Nowym standardem systemu pomiarowego z interfejsem równoległym jest system modułowy PXI z magistralą interfejsową

PCI (podstawową magistralą komputera PC)65. Jego odmianą jest system PXI

60 Por. tamże, s. 64–66.

61 Por. tamże, s. 66.

62 Szczegółowy opis standardu IEC-625 znaleźć można w: W. Winiecki, dz. cyt., s. 92–169.

63 Szczegółowy opis standardu VXI znaleźć można w: tamże, s. 170–200.

64 Opis systemu CAMAC znaleźć można w: W. Nawrocki, Komputerowe systemy pomiarowe,

Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2006, s. 223–226.

65 PCI (ang. Peripheral Component Interconnect) to magistrala komunikacyjna służąca do przyłączania kart rozszerzeń do płyty głównej w komputerach klasy PC. Po raz pierwszy

Express z magistralą PCI Express66. Zasadnicza różnica między systemem kasetowym (CAMAC, VXI) a systemem modułowym (PXI, PXIe) polega na tym, że moduły przeznaczone do określonego systemu kasetowego mogą pracować wyłącznie jako elementy tego systemu i są bezużyteczne poza nim. Natomiast moduły systemu modułowego PXI lub PXIe mogą być podłączone do gniazda magistrali (PCI, PCIe) wewnątrz komputera lub do oddzielnego, wolno stojącego przyrządu. Połączone moduły tworzą system pomiarowy

PXI albo, wraz z programem grafi cznym, wirtualny przyrząd pomiarowy67.